JP6501015B1 - 電源基板 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に比較して基板面積の増大を回避し、寄生容量を軽減することができる電源基板を提供する。【解決手段】本発明にかかる電源基板は、スイッチング素子を含む電源回路が形成された支持体を備えた電源基板であって、上記支持体の第１の面に形成され、上記スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化する第１の電極と、上記支持体の第２の面に形成され、スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化しない第２の電極とを備え、上記第２の電極は、上記第１の電極と対向する部分の少なくとも一部に形成された開口部を有する。ここで、上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分に形成されてもよい。また、上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分以外の部分にさらに形成されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばインバータ等の電力変換器のためのスイッチング素子を含むスイッチング電源基板などの電源基板に関する。

昨今、例えばインバータ等のためのスイッチング素子を含むスイッチング電源基板が、種々の装置において使用されているが、当該スイッチング電源基板から発生するノイズが発生し、これを抑制することが求められている。具体的には、電源基板において時間的に電位が変化する回路パターンと接地導体間の寄生容量により、伝導ノイズ（電気回路の経路上を伝搬するノイズ成分であって、雑端ノイズともいう）が増加し、そのため、ノイズ対策の手間や部材の追加等が必要になっていた。

以上の課題を解決するために、以下の特許文献において種々の解決法が提案されている。

特許文献１では、第１の電極と接地導体との間の寄生容量と、第２の電極と接地導体との間の寄生容量が等しくなるように上記第１及び第２の電極を構成することで、電位変動パターンで発生するノイズを抑制することが提案されている。

また、特許文献２では、高電圧スイッチング回路部と、低電圧スイッチング回路部との間にノイズフィルタを設け、基板とノイズフィルタとの間にノイズを遮蔽する金属板を形成することで、放射ノイズを遮蔽することが提案されている。

さらに、特許文献３では、以下の構成の配線基板が提案されている。
（１）５ＧＨｚ以上の高周波信号を伝搬させる第１の配線導体を、その中央部から外周部に向けて互いの間隔が広がるように絶縁基板の一方の主面に形成する。
（２）絶縁基板の一方の主面の第１の配線導体との間において、外周部から中央部に向けて途中まで接地用又は電源用導体層を、下記の第２の配線導体と対向する部位に導体層が存在しないように形成する。
（３）絶縁基板の他方の主面に中央部から外周部にかけて第２の配線導体を形成する。
ここで、当該第２の配線導体にかかる配線のインピーダンスが途中で変わることを抑制することで高周波信号が反射て減衰することを回避することを特徴としている。

特開２００９−２６１０４４号公報 特開２０１４−０３３５３１号公報 特開２００５−１９１１４２号公報

しかしながら、上記の従来例では、以下の課題があった。

特許文献１では、第２の電極を形成することで、基板面積が大型化し、寄生容量自体を小さくすることができないという課題があった。

また、特許文献２では、金属板で放射ノイズを遮蔽して低減するが、構造が複雑になり、コストが増大するという課題があった。

さらに、特許文献３では、高周波信号が反射して減衰させることができるが、基板面積が大型化し、寄生容量自体を小さくすることができないという課題があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して基板面積の増大を回避し、寄生容量を軽減することができる電源基板を提供することにある。

本発明の一態様にかかる電源基板は、
スイッチング素子を含む電源回路が形成された支持体を備えた電源基板であって、
上記支持体の第１の面に形成され、上記スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化する第１の電極と、
上記支持体の第２の面に形成され、スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化しない第２の電極とを備え、
上記第２の電極は、上記第１の電極と対向する部分の少なくとも一部に形成された開口部を有することを特徴とする。

上記電源基板において、上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分に形成されたことを特徴とする。

また、上記電源基板において、上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分以外の部分にさらに形成されたことを特徴とする。

さらに、上記電源基板において、上記電源基板はさらに、上記支持体の第１の面において、上記第１の電極を囲むように形成された第３の電極を備えたことを特徴とする。

またさらに、上記電源基板において、上記スイッチング素子は、上記第１の電極と、上記第３の電極とに接続されたことを特徴とする。

またさらに、上記電源基板において、
上記第２の電極は、上記支持体の内層に形成され、
上記第１の電極は、上記支持体に形成されたビア導体を介して第４の電極に接続されたことを特徴とする。

従って、本発明にかかる電源基板によれば、従来技術に比較して基板面積の増大を回避し、寄生容量を軽減することで、伝導ノイズを低減できる。

基本例にかかる電源基板の構成例を示し縦断面図である。 図１の電源基板で用いるスイッチング素子を含む回路例を示す回路図である。 従来例にかかる電源基板の構成例を示し縦断面図である。 図３の電源基板で用いるスイッチング素子を含む回路例を示す回路図である。 図４の回路における寄生容量Ｃｐに対する伝導ノイズレベルの特性例を示すグラフである。 実施形態１にかかる電源基板の構成例であって、図６ＢのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。 図６Ａの電源基板の平面図である。 実施形態１の変形例にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。 図７の長さｌａに対する寄生容量Ｃｐの特性例を示すグラフである。 実施形態２にかかる電源基板の構成例であって、図９ＢのＢ−Ｂ’線についての縦断面図である。 図９Ａの電源基板の上面図である。 図９Ａの電源基板の下面図である。 実施形態２の変形例１にかかる電源基板の構成例であって、図１０ＢのＣ−Ｃ’線についての縦断面図である。 図１０Ａの電源基板の上面図である。 図１０Ａの電源基板の下面図である。 実施形態２の変形例２にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。 実施形態３にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。 基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、寄生容量Ｃｐを示すグラフである。 基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、電界強度Ｅｐを示すグラフである。 基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、電界強度Ｅｐを示す写真画像である。

以下、比較例及び本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。

本発明者らは、例えばインバータ等の電力変換器のためのスイッチング素子を含むスイッチング電源基板などの電源基板において、伝導ノイズと放射ノイズの対策を検討の中で、電源基板の回路パターンからの伝導ノイズと放射ノイズに大きな課題があることが分かってきた。その対策として本実施形態にかかる解決手段を考えた。特に、本発明者らは、新材料（ＧａＮ）デバイスのスイッチング素子を用いた電力変換器で放射ノイズが増大しており、シミュレーションにより、電位変動が起こる回路パターンの特にエッジから電界放射が発生することを確認した。また、一方で電位変動の回路パターンと接地電位の寄生容量が大きいと伝導ノイズが増大することが判明し、これらを解決させる手法として以下の実施形態にかかる電源基板を考案した。本実施形態にかかる電源基板では、回路パターンからの伝導ノイズが低減するようにパターン形状を変更することで、ノイズ対策の軽減ができるようになった。以下、詳細について説明する。

図１は基本例にかかる電源基板の構成例を示し縦断面図である。また、図２は図１の電源基板で用いるスイッチング素子を含む回路例を示す回路図である。

図１において、支持体である誘電体基板（電源基板）１０上に電極１１が形成されている。図２の昇圧回路は、インダクタＬ１と、ダイオードＤ１と、例えばＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子ＳＷ１を含む電源回路とを備えて構成される。図２の昇圧回路において、回路部分Ａはスイッチング素子ＳＷ１のスイッチング動作によって電位が変動する。このような場合、誘電体基板１０上に設けられた回路部分Ａに相当する電極１１と、当該昇圧回路を収容する筐体、又はヒートシンクといった周囲金属部との間で交流電界Ｅが発生し、結果として、筐体外部への放射ノイズの増大につながる。

図３は従来例にかかる電源基板の構成例を示し縦断面図である。また、図４は図３の電源基板で用いるスイッチング素子を含む回路例を示す回路図である。

電源基板からの放射電界を抑制する方法として、図３に示すように、電極１１の近傍において、電位が安定な（例えば接地電位等）電極１２を設けることが考えられる。この場合、電極１１から発生する放射電界は近傍の電極１２と結合することで広がりが抑制される。しかし、電極１１と電極１２の寄生容量Ｃｐは大きくなるため、この寄生容量Ｃｐを通って発生する伝導ノイズ成分は増大してしまうことが考えられる。

図５は図４の回路における寄生容量Ｃｐに対する伝導ノイズレベルの特性例を示すグラフである。図５から明らかなように、電位が変動する電極１１と接地された電極１２との寄生容量Ｃｐが大きい場合、電極１１の電位が変動した場合に電極１１，１２に流れる電流成分が増大する。ここで、電位変動によって接地側の電極１２へ流れた電流成分は電気回路の別の部分を通って還流するため、結果としてスイッチング素子のスイッチングによって経路に流れる伝導ノイズ成分の増加を招くという課題があった。

実施形態１．
図６Ａは実施形態１にかかる電源基板の構成例であって、図６ＢのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。また、図６Ｂは図６Ａの電源基板の平面図である。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、誘電体基板１０の上面に矩形形状の電極１１を形成する一方、その下面に、電極１１と対向する位置範囲に位置しかつ実質的に同一のサイズを有する矩形の開口部１２Ｃを有する電極１２を形成する。これにより、電極１２は矩形リング形状を有する。すなわち、本実施形態では、スイッチング素子が接続されて時間的に電位が変動する電極１１に対して対向する面内に、スイッチング素子が接続されず電位が変動しない接地電位を有する電極１２を形成することを特徴とする。ここで、電極１２の少なくとも一部は電極１１よりも外側にはみ出した構造であり、かつ電極１１の直接に上下方向で対向する部分の少なくとも一部に開口部１２Ｃを形成する。

以上のように構成された電源基板においては、電極１の近傍にアース電位を有する電極１２があることで、電極１１から発生する放射電界は電極１２に電磁的に結合し、誘電体基板１０内に閉じ込められて抑制されることで、外部への放射電界成分が低減する。さらに、電極１１からの放射電界はエッジ部で特に強いため、電極１２の輪郭サイズを電極１１よりも大きめの構造とすることで放射電界の拡散を効果的に低減できる。

なお、電極１１と電極１２の開口部１２Ｃが互いに完全に対向する構造でないように構成してもよい。この場合において、開口部１２Ｃを設けることで、電極１１とアース電位の電極１２との間の寄生容量Ｃｐは、上記のように互いに完全に対向する構造に比べて低減できる。その結果、電位変動によって発生する電流変化はそれほど大きくならず、電極１２を設けることによって増加する電源基板の回路における伝導ノイズ成分も抑制が可能である。

以上の実施形態１において、電極１２の開口部１２Ｃは、電極１１と対向する部分の少なくとも一部に形成すればよい。

従来例の電源基板と、実施形態１の電源基板との寄生容量Ｃｐの比較については、図１２を参照して後述するが、従来例の寄生容量Ｃｐが１．４９ｐＦに対して、実施形態の寄生容量Ｃｐが１．１８ｐＦと約２０％寄生容量が低減されている。

実施形態１の変形例．
図７は実施形態１の変形例にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。また、図８は図７の長さｌａに対する寄生容量Ｃｐの特性例を示すグラフである。

図７の電源基板は、図６Ａの電源基板に比較して、電極１２の開口部１２Ｃの矩形の一辺のサイズを長さ＋２ｌａだけ大きくしたことを特徴とする。すなわち、図７に示すように、開口部１２Ｃは、電極１１を電極１２の形成面に投影したときの矩形部分から各辺で長さ＋ｌａだけ大きい矩形形状を有する。この長さ＋ｌａは、電極１１を電極１２の形成面に投影したときに、電極１１と電極１２との間の所定長のギャップとなる。

例えば本変形例では、図８から明らかなように、長さｌａ＝４ｍｍとすることで寄生容量Ｃｐを抑制しつつ、電界強度Ｅｐも一定以下に抑えることができることが分かる。

実施形態２．
図９Ａは実施形態２にかかる電源基板の構成例であって、図９ＢのＢ−Ｂ’線についての縦断面図である。また、図９Ｂは図９Ａの電源基板の上面図であり、図９Ｃは図９Ａの電源基板の下面図である。

図９Ａの電源基板は、図６Ａの電源基板に比較して、誘電体基板１０のおもて面において、電極１１の外側に所定の開口部１３Ｃ（矩形リング形状のギャップ）を有して矩形リング形状の電極１３（浮遊電極）を、電極１１を囲むように形成したことを特徴とする。ここで、電極１３は、電極１１と同一平面において電極１１の周囲で一定の電位を有する。これにより、電極１１から上側に発生する電界成分が電極１３に結合することで、上側に放射される電界はさらに抑制される。ここで、電極１３は電極１１と絶縁距離を保つ必要があるため、電極１２の開口部１２Ｃの内側サイズよりも電極１３の開口部１３Ｃの内側サイズの方が大きいことを特徴とする。

本発明者らによる実施形態２のシミュレーション結果では、実施形態１の構造に更に、電極１１と同一平面に電極１１の端からｌｂ＝３ｍｍの間隙を空けて、幅２ｍｍの電極１３を周囲に設けた場合は、実施形態１よりも更に、誘電体基板１０の上面からの放射電界が抑制されていることが分かった。これは電極１１のエッジからの放射がさらに近傍の接地面と結合しやすい構造であるためである。

以上のように構成された各例のシミュレーション結果による効果を次の表１に示す。

ここで、×は伝導ノイズ又は放射ノイズの影響があり、評価が低い場合（低評価）を示す。○は伝導ノイズ又は放射ノイズの影響がほとんどなく、評価が比較的高い場合（高評価）を示す。◎は伝導ノイズ又は放射ノイズの影響がなく、評価が非常に高い場合を示す（高評価）。なお、△−○は、低評価と高評価との間の評価である中間評価と、高評価との間の評価を示し、○−◎は高評価と最高評価との間の評価を示す。

表１から明らかなように、実施形態１の電源基板によって寄生容量Ｃｐを低減し、伝導ノイズが改善されることが期待される。さらに実施形態２の電源基板によって、放射ノイズも改善が期待される。また、一般的には、寄生容量Ｃｐと電界強度Ｅｐはトレードオフの関係にある。

実施形態２の変形例１．
図１０Ａは実施形態２の変形例１にかかる電源基板の構成例であって、図１０ＢのＣ−Ｃ’線についての縦断面図である。また、図１０Ｂは図１０Ａの電源基板の上面図であり、図１０Ｃは図１０Ａの電源基板の下面図である。

図１０Ａの電源基板は、図９Ａの電源基板に比較して、電極１１及び電極１３に接続された２個の端子を有するスイッチング素子１４を電極１１，１３上に装着したことを特徴としている。この例では、スイッチング素子１４の電極で電極１１を囲うためには、電極１１から放射する電界に欠落部が発生するが、スイッチング素子１４の電極を使うことで周囲を完全に囲うことができる。

実施形態２の変形例２．
図１０Ｄは実施形態２の変形例２にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。図１０Ｄの電源基板は、図１０Ａの電源基板に比較して、矩形リング形状の電極１３を削除したことを特徴としており、このように構成してもよい。言い換えれば、図１０Ｄの電源基板は、図６Ａの電源基板に比較してスイッチ素子１４を設けたことを特徴としている。

図１１は実施形態３にかかる電源基板の構成例を示す縦断面図である。

実施形態３にかかる図１１の電源基板においては、電極１１の近傍にスイッチング素子又はダイオードなどの能動素子の発熱体１４Ａが設けられる場合を想定する。図１１において、電極１２は誘電体基板１０，１０Ａの内層面に設ける。なお、３０は、電源基板から放射される放射電界を閉じ込めるための筐体板金である。また、誘電体基板１０Ａの下面に形成された電極１５から、誘電体基板１０、電極１２の開口部１２Ｃ及び誘電体基板１０Ａを介して厚さ方向に延在して電極１１に接続される複数のビア導体１６を設ける。これにより、当該ビア導体１６は電極１１を電極１５に接続することができ、これにより、基板裏面からの放熱性を高めることができる。

実際には、電極１５から、熱インターフェースマテリアル（以下、ＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌという）２１を介して放熱部２０に接続する。なお、誘電体基板１０，１０Ａは放熱部２０から垂直方向に延在する複数の支持部材２２により支持される。

以上のように構成された実施形態３にかかる電源基板によれば、放射電界の抑制と基板の放熱性の両立が可能である。

以上の実施形態３において、ビア導体１６はインレイなどで構成してもよい。また、ＴＩＭは熱伝導率が高く、厚さが比較的厚いことが望ましい（すなわち、放熱部との寄生容量は小さい）ので、例えば窒化ケイ素等のセラミックなどの材料にてなる。

以下、本発明者らのシミュレーション結果について説明する。

図１２は基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、寄生容量Ｃｐを示すグラフである。図１２から明らかなように、実施形態１及び２の寄生容量Ｃｐは、従来例に比較して低減していることがわかる。

図１３は基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、電界強度Ｅｐを示すグラフである。図１３から明らかなように、実施形態１及び２の電界強度Ｅｐは、従来例に比較して低減していることがわかる。

図１４は基本例、従来例、実施形態１及び２にかかる電源基板のシミュレーション結果であって、電界強度Ｅｐを示す写真画像である。図１４から明らかなように、従来例では、放射電界が、電極１１の近傍で集中しているが、実施形態１及び２では、電極１１近傍に集中せず分散して低減していることがわかる。

従って、本発明にかかる電源基板によれば、従来技術に比較して基板面積の増大を回避し、寄生容量を軽減することで、伝導ノイズを低減できる。本発明にかかる電源基板は、パワコントローラ、車載電源、汎用電源、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）等の電力変換装置に適用することができる。

１０，１０Ａ…誘電体基板、
１１，１２，１３…電極、
１２Ｃ，１３Ｃ…開口部、
１４…スイッチング素子、
１４Ａ…発熱体、
１５…電極、
１６…ビア導体、
２０…放熱部、
２１…熱インターフェースマテリアル（ＴＩＭ）、
２２…支持部材、
３０…上部筐体板金、
Ａ…電極部分、
Ｃｐ…寄生容量、
Ｄ１…ダイオード、
Ｌ１…インダクタ、
ＳＷ１…スイッチ素子。

Claims (5)

1. スイッチング素子を含む電源回路が形成された支持体を備えた電源基板であって、
   上記支持体の第１の面に形成され、上記スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化する第１の電極と、
   上記支持体の第２の面に形成され、スイッチング素子の動作によって時間的に電位が変化しない第２の電極とを備え、
   上記第２の電極は、上記第１の電極と対向する部分の少なくとも一部に形成された開口部を有し、
   上記第２の電極は、上記支持体の内層に形成され、
   上記第１の電極は、上記支持体において上記第１の電極が上記開口部を通過するように形成されたビア導体を介して第４の電極に接続されたことを特徴とする電源基板。
2. 上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分に形成されたことを特徴とする請求項１記載の電源基板。
3. 上記第２の電極の開口部は、上記第１の電極と対向する部分以外の部分にさらに形成されたことを特徴とする請求項１記載の電源基板。
4. 上記電源基板はさらに、
   上記支持体の第１の面において、上記第１の電極を囲むように形成された第３の電極を備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の電源基板。
5. 上記スイッチング素子は、上記第１の電極と、上記第３の電極とに接続されたことを特徴とする請求項４記載の電源基板。

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